(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
斜め上方に位置する覗き窓を有するチャンバと、
このチャンバの上部に設けられ、前記チャンバ内部に不活性ガスを導入する不活性ガス導入部と、
前記チャンバ内に配置され単結晶の原料の融液を収納可能な坩堝と、
該坩堝に対して種結晶および融液から成長させた単結晶を相対的に昇降可能な引上げ機構と、
前記引上げ機構により引上げられる単結晶が上昇可能な内部空間を持ち、下端が前記融液の表面近傍に位置し、前記不活性ガス導入部から導入される不活性ガスを融液表面に案内する円筒状の整流筒を備え、
前記整流筒は、透明で且つ平板状の観察窓を有し、該観察窓は前記整流筒と同一の材料により構成され、前記覗き窓および所定の観察位置と直列となる位置に配置されていることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項２】
前記整流筒および前記観察窓は、ともに石英ガラスにより構成され、一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上装置。
【請求項３】
前記整流筒と前記観察窓との一体化は、溶接によって行われていることを特徴とする請求項２に記載の単結晶引上装置。
【請求項４】
前記観察窓は、前記整流筒の横断面の外周における前記観察窓が設けられている部分の中心角が４５度以下となる横幅を有することを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載の単結晶引上げ装置。
【請求項５】
前記整流筒の内側面の前記観察窓との接合部は、Ｒ加工が施されていることを特徴とする請求項１−４のいずれか一項に記載の単結晶引上装置。
【請求項６】
前記覗き窓の外方であって、前記所定の観察位置、観察窓および覗き窓とともに直列となる位置に測定用のカメラを設け、前記単結晶の絞り工程における絞り直径を測定することを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の単結晶引上装置。
【請求項７】
前記覗き窓の外方であって、前記所定の観察位置、観察窓および覗き窓とともに直列となる位置に測定用のカメラを設け、前記単結晶引上装置の熱遮蔽板の下端と前記坩堝内の融液表面との間の距離であるギャップを測定することを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の単結晶引上装置。
【請求項８】
前記チャンバは他の覗き窓を有し、且つ、前記整流筒は透明で平板状の他の観察窓を有し、該他の観察窓は、前記整流筒と同一の材料により構成され、前記他の覗き窓および前記所定の観察位置と直列となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の単結晶引上装置。
【請求項９】
前記覗き窓の外方であって、前記所定の観察位置、観察窓および覗き窓とともに直列となる位置に測定用のカメラを設け、前記所定の観察位置を観察するとともに、前記他の覗き窓からは前記所定の位置を目視できるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の単結晶引上装置。
【請求項１０】
前記チャンバは他の覗き窓を有し、前記整流筒は透明で平板状の他の観察窓を有し、該他の観察窓は前記整流筒と同一の材料により構成され、前記他の覗き窓および他の所定の観察位置と直列となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の単結晶引上装置。
【請求項１１】
前記チャンバは他の覗き窓を有し、該他の覗き窓は前記観察窓および他の所定の観察位置と直列となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の単結晶引上げ装置。
【請求項１２】
前記整流筒は透明で且つ平板状の他の観察窓を有し、該他の観察窓は前記整流筒と同一の材料により構成され、前記覗き窓および他の所定の観察位置と直列となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の単結晶引上装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法による単結晶引上装置に関し、特に、チャンバ内に不活性ガスを誘導する整流筒を有する単結晶引上装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チョクラルスキー法を利用して、半導体単結晶を製造する単結晶引上装置においては、融液表面から蒸発するＳｉＯが、単結晶の表面や、坩堝周辺の部品に凝縮、固着する現象が生じる。このため、その固着したＳｉＯがまた剥離してシリコン融液に混入し、成長中のシリコン単結晶が多結晶化し、結果としてシリコン単結晶の収率が低下するという問題が知られている。
【０００３】
この問題に対処するため、坩堝に収容されたシリコン融液の上方に整流筒を配置して、単結晶成長時にこの整流筒内を通して単結晶を引上げるとともに、Ａｒ等の不活性ガスを上方よりシリコン融液に向けて誘導して、この融液面上に流入させるようにした構成が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。この構成によれば、融液表面から蒸発するＳｉＯを不活性ガスに取り込み、排出口からチャンバ外に効率良く排出することができる。
【０００４】
一方、単結晶引上の絞り工程においては、種結晶を無転位化させるために直径を細く絞りつつ、引き上げられる単結晶の重量に耐えうるように所定の太さの直径を確保することが必要である。したがって、結晶の絞り直径を精度良く測定し、適切に制御することが重要である。このため、従来の単結晶引上装置では、整流筒が無い場合、チャンバの肩部に覗き窓を設け、この覗き窓の外側にＣＣＤカメラ等のカメラを配置し、チャンバ内の絞り直径を測定することが行われている。また、チャンバには、坩堝内のシリコン材料加熱時のシリコンの溶融状況を確認する等の種々の目的でも、覗き窓が設けられている。
【０００５】
しかしながら、上述のように整流筒を設けた場合、整流筒が透明な素材ではない場合は、覗き窓から整流筒の下方の所望の位置を観察できないという問題点がある。また、整流筒が例えば石英ガラス等の透明素材で形成される場合も、整流筒の湾曲した形状や歪みにより所望の位置の正確な測定や観察が困難になるという問題がある。
【０００６】
このため、カーボン製の整流筒に窓部を設けて、この窓部に透明な石英ガラス部材を嵌め込んで、覗き窓から整流筒の内部を観察できるようにした単結晶引上装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかし、特許文献３に開示された整流筒では、整流筒と窓部に嵌め込まれる部材との接合部分に隙間や段差等が生じ、整流筒内に乱流を発生させＳｉＯの除去性能を低下させるという問題点を有する。また、石英ガラスがカーボンの整流筒と同じ径で曲がっているので、石英ガラスに歪みが生じ所望の位置の正確な測定や観測が困難になるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１１２６６３号公報
【特許文献２】特開２００８−１７９５１５号公報
【特許文献３】特開平１０−１５８０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、整流筒内の乱流発生を抑制することで、半導体単結晶の品質を低下させることなく、チャンバの外部から半導体結晶または坩堝内の所定の観察位置を正確に観察することができる単結晶引上装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に従う単結晶引上装置は、
斜め上方に位置する覗き窓を有するチャンバと、
このチャンバの上部に設けられ、前記チャンバ内部に不活性ガスを導入する不活性ガス導入部と、
前記チャンバ内に配置され単結晶の原料の融液を収納可能な坩堝と、
該坩堝に対して種結晶および融液から成長させた単結晶を相対的に昇降可能な引上げ機構と、
前記引上げ機構により引上げられる単結晶が上昇可能な内部空間を持ち、下端が前記融液の表面近傍に位置し、前記不活性ガス導入部から導入される不活性ガスを融液表面に案内する円筒状の整流筒とを備え、
前記整流筒は、透明で且つ平板状の観察窓を有し、該観察窓は前記整流筒と同一の材料により構成され、前記覗き窓および所定の観察位置と直列となる位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記整流筒および前記観察窓は、ともに石英ガラスにより構成され、一体化されていることが好ましく、加えて、前記整流筒と前記観察窓との一体化は、溶接によって行われていることがより好適である。
【００１１】
さらに、前記観察窓は、前記整流筒の横断面の外周における前記観察窓が設けられている部分の中心角が４５度以下となる横幅を有することが好ましい。
【００１２】
また、前記整流筒の内側面の前記観察窓との接合部は、Ｒ加工が施されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の実施形態としては、前記覗き窓の外方であって、前記所定の観察位置、観察窓および覗き窓とともに直列となる位置に測定用のカメラを設け、前記単結晶の絞り工程における絞り直径を測定するか、あるいは、前記単結晶引上装置の熱遮蔽板の下端と前記坩堝内の融液表面との間の距離であるギャップを測定することが好ましい。
【００１４】
本発明の他の実施形態としては、少なくともそれぞれ２つの前記覗き窓と前記観察窓とを有し、前記覗き窓の１つに向けてカメラが設けられ前記所定の観察位置を観測するとともに、他の覗き窓からは前記所定の位置を目視できるように構成されていることが好ましい。
【００１５】
また、前記チャンバは他の覗き窓を有し、且つ、前記整流筒は透明で平板状の他の観察窓を有し、該他の観察窓は、前記整流筒と同一の材料により構成され、前記他の覗き窓および前記所定の観察位置と直列となる位置に配置することもできる。
【００１６】
その場合、前記覗き窓の外方であって、前記所定の観察位置、観察窓および覗き窓とともに直列となる位置に測定用のカメラを設け、前記所定の観察位置を観察するとともに、前記他の覗き窓からは前記所定の位置を目視できるようにすることが好適である。
【００１７】
あるいは、前記チャンバは他の覗き窓を有し、前記整流筒は透明で平板状の他の観察窓を有し、該他の観察窓は前記整流筒と同一の材料により構成され、前記他の覗き窓および他の所定の観察位置と直列となる位置に配置される。
【００１８】
または、前記チャンバは他の覗き窓を有し、該他の覗き窓は前記観察窓および他の所定の観察位置と直列となる位置に配置する。
【００１９】
あるいは、前記整流筒は透明で且つ平板状の他の観察窓を有し、該他の観察窓は前記整流筒と同一の材料により構成され、前記覗き窓および他の所定の観察位置と直列となる位置に配置する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、整流筒は、透明で且つ平板状の観察窓を有し、この観察窓は整流筒と同一の材料により構成され、覗き窓および所定の観察位置と直列となる位置に配置されているので、整流筒内の乱流発生を抑制しつつ、チャンバの外部から半導体結晶または坩堝内の所定の観察位置を正確に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る単結晶引上げ装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１の整流筒を示したものであって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図３】図１の整流筒の観察窓の接合部の形状を示したものであって、（ａ）は観察窓位置での横断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す二点鎖線の円で囲まれた部分Ｘの拡大断面図である。
【図４】図１の整流筒の寸法を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施の形態に係る単結晶引上げ装置の整流筒を示したものであって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図６】本発明の第２実施の形態に係る単結晶引上げ装置の整流筒を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１実施の形態に係る単結晶引上げ装置の概略構成を示す模式図である。この単結晶引上げ装置１０は、チャンバ１１と、坩堝１２と、ヒータ１３と、断熱体１４と、整流筒１５と、熱遮蔽板１６と、引上げ機構（図示せず）とで主として構成される。
【００２４】
チャンバ１１は、上部は径が小さく下部は径が大きな外部雰囲気から密閉された容器であり、径の大きな下部には、坩堝１２、ヒータ１３、断熱体１４等が収容されている。チャンバ１１の上部には、チャンバ内部に不活性ガスを導入する図示しない不活性ガス導入部が設けられ、整流筒１５内に不活性ガスを流入させるように構成されている。また、チャンバ１１の下部には不活性ガスの排出口１７が設けられ、図示しない排気管路を介して真空ポンプに接続される。また、チャンバ１１の径の小さい上部と径の大きい下部との間に位置する肩部には、単結晶引上の絞り工程におけるシリコンの径を測定するための覗き窓１８が設けられ、チャンバの外部には、この覗き窓１８に撮像レンズを向けてＣＣＤ等の撮像素子を有するカメラ１９が配置される。
【００２５】
坩堝１２は、石英ガラス材料からなり、チャンバ１１内に配置され、有底の略円筒形の形状をしており、多結晶シリコンを融解させた半導体単結晶の原料のシリコン融液２０を貯留する。この坩堝１２は、所定の速度で中心軸周りに回転するとともに、上下に昇降駆動可能なシャフト２１により支持される。また、坩堝１２の周りにはヒータ１３が配置され、さらにこのヒータ１３の周りには断熱体１４が坩堝１２およびヒータを取り囲むように配置される。
【００２６】
引上げ機構は、引上ワイヤ２２を含んで構成され、単結晶引上装置１０の上部に設けられた図示しない引き上げ駆動部により、速度を制御しつつ引上ワイヤ２２を上昇させることができる。単結晶の引き上げを行う際には、引上ワイヤ２２の下端に設けたシードホルダ２４に種結晶２３を取り付け、坩堝内の融液に浸漬した後、シードホルダ２４を回転させながら引き上げを行う。
【００２７】
整流筒１５は、例えば石英ガラス材料による円筒形の部材であり、チャンバ１１の径の小さい上部からシリコン融液２０の表面近傍まで延びている。単結晶引き上げ時には、引上げられる単結晶は、この整流筒１５内部を通るように配置される。また、上述の不活性ガス導入部から流入された不活性ガスは、この整流筒１５の内部を通過して、シリコン融液２０の表面に導かれる。直径２００ｍｍの単結晶引上げ装置において使用される整流筒の典型的な寸法は、例えば、半径１３０ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚さ４ｍｍである。
【００２８】
熱遮蔽板１６は、単結晶引上げの際に、単結晶が坩堝１２内の融液から受ける輻射熱を抑制するために設けられ、下方に向けて径が狭まるテーパー形状を有し、その下端部は、シリコン単結晶の引上げ時において、シリコン融液表面の近傍に延び、整流筒１５の下端部と結合している。
【００２９】
図２は、図１の整流筒１５の一例を示したものであり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は平面図である。この整流筒１５は、側面の略中央部に観察窓３１を備える。この観察窓３１は、整流筒１５の湾曲している側面の一部を矩形に切断、除去し、当該箇所に整流筒と同じ石英ガラス材料からなり、透明であって、平板部を有する部材を結合させたものである。図２（ｂ）に示すように、観察窓３１の平板部は、上部および下部の中央位置で整流筒１５の側面に接し、且つ平板部の外周は、整流筒１５との間で隙間の無いように結合している。
【００３０】
さらに、整流筒１５の観察窓３１は、シリコン融液２０から単結晶の引き上げを行っている所望の観察位置２５および覗き窓１８と直列する位置に配置される。これによって、覗き窓１８および観察窓３１を通して、観察位置２５をカメラ１９で撮像することが可能となる。
【００３１】
図３は、図１の整流筒１５の観察窓３１の接合部の形状を示したものであって、（ａ）は観察窓位置での横断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す二点鎖線の円で囲まれた部分Ｘの拡大断面図である。整流筒１５と観察窓３１とは、溶接によって、すなわち、石英溶接用バーナーにより溶接箇所を加熱するとともに、相互に圧力を加え、隙間無く結合される。このため、図３（ｂ）に示すように、整流筒１５と観察窓３１とは一体化している。さらに、整流筒１５と観察窓３１との結合箇所は、内側面にＲ加工（半径Ｒ＝約３ｍｍ）を施し、整流筒１５内を通る不活性ガスに乱流が生じないようにする。
【００３２】
なお、平板部を有する観察窓３１が大きくなると、整流筒１５の回転対称性が失われるため、乱流が発生して、整流筒１５の不活性ガスの整流効果が失われることが懸念される。このため、整流効果の点からは、観察窓３１の横幅は小さくすることが望ましい。具体的には、整流筒１５の横断面の外周における観察窓が設けられている部分の中心角を４５度以下とすると、整流筒１５の整流効果を維持し、結晶の有転移化を招くことなく、引き上げができることを確認している。
【００３３】
以上のような構成によって、単結晶引上装置１０は、種結晶２３をシリコン融液２０に接触させた後に引上げることによって単結晶を引上げる際に、不活性ガス導入部から整流筒１５に不活性ガスを流入させるとともに、真空ポンプによってチャンバ１１内を排気することによって、シリコン融液２０の表面から発生するＳｉＯを不活性ガスとともに、排出口１７から排出する。その際、各工程において、カメラ１９を用いて覗き窓１８と観察窓３１とを通して、観察位置２５を観察することができる。また、観察窓３１は、平板の透明な石英ガラスにより構成されているため、カメラ１９は歪みの影響を受けずに正確な画像を得ることができる。とくに、結晶引上げの絞り工程においては、カメラ画像に基づいて絞り直径を測定し、測定された絞り直径に応じて、図示しない制御装置によって、引き上げ駆動部を制御することができる。
【００３４】
さらに、観察窓３１と整流筒１５とが同じ石英ガラス素材であり、溶接によって結合しているため、熱膨張率の差異による応力により観察窓３１または整流筒１５が変形または破損することがなく、観察窓３１と整流筒１５との間に隙間や段差も無いため、整流筒１５内を通過する不活性ガスに、乱流が発生することも抑制することができる。
【００３５】
さらに、整流筒１５と観察窓３１との結合部の内側面にＲ加工を施したこと、および、整流筒１５の横断面の外周における観察窓が設けられている部分の中心角を４５度以下としたことによって、整流筒内の乱流の発生をさらに抑えることができる。
【００３６】
また、単結晶の引上げの際に、シャフト２１を回転させるとともに、シリコン融液２０の減少に応じてシャフト２１を上昇させることによって、シリコン融液２０と単結晶との界面である測定位置２５を継続して観察することが可能である。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、整流筒に整流筒と同じ石英ガラス材料からなる透明な平板状の観察窓を設け、覗き窓から前記観察窓を介して半導体結晶または坩堝内の所定の観察位置、例えば、絞り工程における絞り部を観察可能に構成されているので、整流筒内に乱流を発生させることなく、チャンバの外部から半導体結晶または坩堝内の所定の観察位置を観察することが可能になる。これによって、半導体単結晶の収率を低下させることなく、単結晶引き上げ時の制御の精度を向上させることが可能になる。
【００３８】
（第２実施の形態）
図５は、本発明の第２実施の形態に係る単結晶引上げ装置の整流筒を示したものであって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。本実施の形態では、整流筒１５の観察窓３１と９０度回転した位置に観察窓３１と同様の他の観察窓４１を設け、さらに、図１で示したチャンバ１１にも、観察窓４１の対応する位置に他の覗き窓（図示せず）を設けたものである。その他の構成は、上述の第１実施の形態と同様である。
【００３９】
これによって、測定場所２５をカメラ１９で測定するだけではなく、他の覗き窓および観察窓４１を通して、目視により確認することも可能になる。したがって、装置による判断に、人による判断が加わり、単結晶引き上げの制御の精度を向上させることができる。
【００４０】
（第３実施の形態）
また、図６は、本発明の第３実施の形態に係る単結晶引上げ装置の整流筒を示す斜視図である。図に示すように、整流筒１５には、上記第２実施形態の構成に加え、さらに、平板状の観察窓４２を設けている。また、チャンバ１１にも対応する図示しない覗き窓が設けられ、坩堝１２および整流筒１５内部の他の所定の位置の観察ができるようになっている。
【００４１】
このように、整流筒１５の側面に平板状の観察窓４２を設けることによって、測定位置２５と異なる所望の位置を精度良く観察することが可能になる。これによって、例えば、前記単結晶引上装置の熱遮蔽板１６の下端とシリコン融液２０の液面との間の距離であるギャップを測定することも可能である。
【００４２】
本実施の形態では、覗き窓と観察窓とを複数設けることにより、異なる位置の観察を可能にしたが、複数の位置の観察を行う方法はこれに限られない。例えば、第１実施の形態において、他の覗き窓を観察窓３１および他の所定の観察位置と直列となる位置に設けることによって、２つの除き窓と1つの観察窓とにより２つの観察位置の観察が可能となる。また、整流筒１５の覗き窓１８および他の所定の観察位置と直列となる位置に透明で且つ平板状の整流筒１５と同一材料により構成される他の観察窓を設けることによって、1つの覗き窓と２つの観察窓とにより２つの観察位置の観察が可能になる。
【００４３】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、観察窓の形状は矩形であるとしたがこれに限られず、丸型等任意の形状とすることができる。また、整流筒と観察窓との石英ガラスの接合は、バーナーによらず、レーザー光の照射により加熱し溶着させるようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、整流筒内の乱流発生を抑制しつつ、チャンバの外部から単結晶または坩堝内の定の観察位置を正確に観察することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０    単結晶引上装置
１１    チャンバ
１２    坩堝
１３    ヒータ
１４    断熱体
１５    整流筒
１６    熱遮蔽板
１７    排出口
１８    覗き窓
１９    カメラ
２０    シリコン融液
２１    シャフト
２２    引上ワイヤ
２３    種結晶
２４    シードホルダ
２５    観察位置
３１，４１，４２    観察窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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